石墨烯和多孔石墨烯性能有什么差異

多孔石墨烯是指在二維基面上具有納米級(jí)孔隙的碳材料，是近年來石墨烯缺陷功能化的研究熱點(diǎn)。多孔石墨烯不僅保留了石墨烯優(yōu)良的性質(zhì)，而且相比惰性的石墨烯表面，孔的存在促進(jìn)了物質(zhì)運(yùn)輸效率的提高，特別是原子級(jí)別的孔可以起到篩分不同尺寸的離子/分子的作用。更重要的是，孔的引入還有效地打開了石墨烯的能帶隙，促進(jìn)了石墨烯在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

多孔石墨烯材料結(jié)構(gòu)示意圖

多孔石墨烯（PG）又稱石墨烯篩（GNM）是指在二維基面上具有納米孔的碳材料。大量的理論和計(jì)算表明，PG中的孔是碳原子從晶格中被移除或者轉(zhuǎn)移到表面而留下的空位，其本身是一種缺陷。對(duì)Gr進(jìn)行高能粒子輻射、化學(xué)處理都會(huì)導(dǎo)致這種缺陷的產(chǎn)生。在制備的過程中，由于缺陷會(huì)影響Gr的電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，尤其在電學(xué)性質(zhì)中，缺陷造成載流子和聲子散射，減少了傳輸路徑，從而影響載流子的遷移率，因此需要盡量保持晶體結(jié)構(gòu)的完整性。但孔缺陷并不都有弊，相反，孔缺陷還可以使Gr獲得一些新的功能。如，的理論比表面積高達(dá)2640m2/g，但由于π-π電子的作用，很容易產(chǎn)生團(tuán)聚，導(dǎo)致比表面積會(huì)出現(xiàn)大幅下降，而PG不會(huì)產(chǎn)生此種現(xiàn)象。

多孔石墨烯的理論基礎(chǔ)及特性

在Gr中，理想的碳原子排列是六元環(huán)結(jié)構(gòu)。 因此，把Gr裁剪成具有一定寬度準(zhǔn)一維的納米材料GNR可以獲得兩種不同的邊緣結(jié)構(gòu)類型——扶手型和鋸齒形。具有鋸齒形邊緣的石墨烯通常呈金屬性，而具有扶手型邊緣的既可能呈金屬性，也可能呈半導(dǎo)體型，這取決于納米帶的寬度。實(shí)際上，GNR的邊緣是不規(guī)則的，并不嚴(yán)格遵守兩種邊緣結(jié)構(gòu)類型。因?yàn)閟p2雜化可以將碳原子排列成不同的多邊形結(jié)構(gòu)，只要滿足特定的對(duì)稱規(guī)律，非六元環(huán)的結(jié)構(gòu)就可能出現(xiàn)。并且，輕微的結(jié)構(gòu)變化都將導(dǎo)致兩種邊緣類型的GNR在導(dǎo)體性質(zhì)上無差異。在PG中，這兩種邊緣結(jié)構(gòu)是同時(shí)存在的，因此PG的電子結(jié)構(gòu)不僅可以由其邊緣的類型來決定，還取決于活性邊緣的數(shù)量。然而，由于PG納米孔的周期性和頸寬不一致，以及各個(gè)孔的形狀和邊緣形貌也不同，其電學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出更復(fù)雜的行為。

除了對(duì)PG電學(xué)性質(zhì)的研究之外，科學(xué)家還對(duì)GNM的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)研究。當(dāng)臨界孔密度為15%時(shí)，GNM開始產(chǎn)生力學(xué)響應(yīng)的過渡，此時(shí)斷裂應(yīng)變表現(xiàn)為密度的函數(shù)并具有最小值。當(dāng)孔密度小于80%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明GNM的延展性隨著孔密度的增加而增加，并且強(qiáng)度超過了5GPa。

PG有別于Gr的性質(zhì)來源于納米孔的引入。以氧化還原法制備Gr為例，在還原的過程中，表面的含氧官能團(tuán)也隨之被去除，片層間的靜電斥力降低，導(dǎo)致Gr很容易發(fā)生團(tuán)聚，這種團(tuán)聚不僅降低比表面積，還會(huì)阻礙其他物質(zhì)如電解質(zhì)離子進(jìn)入到Gr片層中。而PG由于面內(nèi)不同尺寸孔的引入，避免了團(tuán)聚造成的不利影響；介孔和大孔可以促進(jìn)物質(zhì)的滲透和輸運(yùn)；而微孔則有利于比表面積的提高。納米孔結(jié)構(gòu)的引入，使得PG具有高的比表面積、豐富的傳質(zhì)通道、可調(diào)控的能帶隙、高的孔邊緣活性、透氣性、良好的機(jī)械穩(wěn)定性以及生物化學(xué)傳感等特性。

不屬于多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是什么

近年來，石墨烯、氮化碳和氮化硼等多孔二維（2D）材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、性能和有趣的含義而引起了廣泛的興趣。 結(jié)合二維材料與多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，合成的多孔二維材料具有較大的表面積、多種成分和更高的電子導(dǎo)電性，在電化學(xué)、光催化和能源應(yīng)用中具有巨大的應(yīng)用潛力。 本文討論了多孔二維 (2D) 材料的潛在應(yīng)用、未來展望以及與之相關(guān)的主要挑戰(zhàn)。 ? 多孔二維 (2D) 材料 在二維平面上含有納米孔的材料是多孔二維材料。高物理和化學(xué)活化在二維材料中產(chǎn)生平面內(nèi)孔。這些平面孔為材料提供了額外的吸收和反應(yīng)位點(diǎn)，并為質(zhì)量和電荷轉(zhuǎn)移創(chuàng)造了替代途徑，這對(duì)于能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換裝置至關(guān)重要。 使用納米級(jí)碳作為主要組成部分，已經(jīng)生產(chǎn)

什么是納米催化劑?納米片?納米線(棒)?量子點(diǎn)?

納米催化劑、納米片、納米線（棒）、量子點(diǎn)都是納米科學(xué)領(lǐng)域的研究對(duì)象。

• 納米催化劑：指粒徑在 1 ~ 100 納米之間的催化劑，與傳統(tǒng)的催化劑相比，具有更大的比表面積、更高的催化活性和選擇性，因此在化學(xué)合成、環(huán)保、能源等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

• 納米片：指具有納米級(jí)厚度的片狀結(jié)構(gòu)，通常是單晶或多晶結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的光電、磁學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)，在光電器件、傳感器、儲(chǔ)能材料等領(lǐng)域有應(yīng)用前景。

• 納米線（棒）：指直徑在 1 ~ 100 納米之間，長度可以從幾十納米到幾百微米的長條狀納米結(jié)構(gòu)，具有高比表面積、獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，在光電器件、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

• 量子點(diǎn)：指直徑在 1 ~ 10 納米之間的半導(dǎo)體晶體微粒，具有特殊的量子效應(yīng)和光學(xué)性質(zhì)，可以用于制備高效的光電器件、發(fā)光材料和生物標(biāo)記等。

這些納米材料的制備方法：

• 納米催化劑的制備方法包括溶膠-凝膠法、水熱法、微乳法、氣相合成法、電化學(xué)合成法等。其中，溶膠-凝膠法是一種常用的制備方法，其主要步驟是：溶解金屬前驅(qū)體在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，通過調(diào)節(jié)溶液pH值、溫度、濃度等條件，形成膠體溶液，然后通過熱處理或氧化處理將膠體轉(zhuǎn)化為納米顆粒。

• 納米片的制備方法包括化學(xué)氣相沉積法、溶液法、機(jī)械剝離法等。其中，化學(xué)氣相沉積法是一種常用的制備方法，其主要步驟是：將金屬前驅(qū)體在高溫下分解，生成氣態(tài)物質(zhì)，沉積在襯底表面形成納米薄片。

• 納米線（棒）的制備方法包括溶液法、化學(xué)氣相沉積法、熱蒸發(fā)法、電化學(xué)合成法等。其中，溶液法是一種常用的制備方法，其主要步驟是：將金屬離子溶解在適當(dāng)?shù)娜芤褐?，通過調(diào)節(jié)溶液的pH值、溫度、濃度等條件，在襯底上形成納米線。

• 量子點(diǎn)的制備方法包括熱分解法、溶劑熱法、微乳法等。其中，熱分解法是一種常用的制備方法，其主要步驟是：將金屬前驅(qū)體和表面活性劑溶解在有機(jī)溶劑中，然后通過加熱分解前驅(qū)體，生成金屬原子，再通過控制反應(yīng)條件和表面活性劑的性質(zhì)，形成納米量子點(diǎn)。

納米材料的制備方法和條件因材料種類和應(yīng)用領(lǐng)域不同而有所區(qū)別，制備過程中需要對(duì)條件進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，以獲得所需的納米材料。

可以影響細(xì)胞的粘附能力的因素有哪些

在移植用生物材料的研究中, 材料表面理化性質(zhì)是影響細(xì)胞粘附能力的重要因素, 通過改變生物材料表面理化性能可以促進(jìn)細(xì)胞粘附。 1. 材料表面形貌結(jié)構(gòu)材料表面形貌結(jié)構(gòu) (如多孔結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)、溝槽結(jié)構(gòu)) 的改變會(huì)對(duì)所粘附細(xì)胞的形態(tài)、材料的比表面積等產(chǎn)生影響, 從而影響細(xì)胞的粘附延展、遷移等行為。此外, 許多研究發(fā)現(xiàn), 粗糙的材料表面的粘附性能要優(yōu)于光滑的材料表面。表面粗糙度差異也會(huì)影響細(xì)胞粘附。粗糙度高的表面比表面積大, 可以增大細(xì)胞與材料的接觸面積。 2. 材料的親疏水性通常情況下, 親水性材料表面更適合細(xì)胞的粘附與生長。Wei J等對(duì)六甲基二硅醚材料進(jìn)行氧氣等離子體處理, 在樣品表面種植纖維原

納米材料有哪些用途？

納米材料科技是當(dāng)前材料科學(xué)領(lǐng)域中頗受關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)話題，其特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可以為許多領(lǐng)域帶來革命性的變化和發(fā)展。在本文中，我們將拓展納米材料廣泛的應(yīng)用機(jī)遇，并著重探討納米材料安全性問題。

一、納米材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用及前景

電子領(lǐng)域

納米材料在電子領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，其最顯著的優(yōu)勢(shì)在于高度集成和速度的提高。首先，對(duì)于數(shù)字邏輯電路方面，由于納米晶體管晶體尺寸小，其比表面積更大，這使得電極的尺寸明顯縮小，反過來增加了器件密度。其次，在微處理器設(shè)計(jì)中，與其他半導(dǎo)體材料相比，以硅為基礎(chǔ)制造的納米元件具有性能優(yōu)異、可定制性和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外，在光電子和顯示器件方面，人們已經(jīng)成功地利用納米材料制備了LED、OLED和QD顯示器等高清晰度顯示屏。

化工領(lǐng)域

納米材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用也有著廣泛的前景。例如，納米材料可以被用于制造各種高品質(zhì)陶瓷和玻璃等。 這是因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫幕瘜W(xué)惰性、高溫穩(wěn)定性以及機(jī)械強(qiáng)度。此外，人們還發(fā)現(xiàn)利用納米結(jié)構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)多孔分子篩的制備是可行的，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用可分離氣體、液體或固態(tài)雜質(zhì)，從而改進(jìn)石油化工、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。

生物領(lǐng)域

納米材料在生物領(lǐng)域中的作用則是創(chuàng)新性地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)治療和生命科學(xué)等方面的發(fā)展。例如，由于其精確控制的形狀和尺寸，納米材料可以被用于設(shè)計(jì)和制造更加透明、準(zhǔn)確的藥物傳遞系統(tǒng)，這些系統(tǒng)對(duì)腫瘤和其他疾病的治療效果大幅提升。另外，納米材料可細(xì)分為無機(jī)納米材料、有機(jī)納米材料和混合納米材料三種類型，無論哪一種類型的納米材料都可以通過修飾表面以改善帶負(fù)荷體物與生物相互作用的性質(zhì)。由此，納米材料具有廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景，包括腫瘤靶向治療、藥物釋放、成像和診斷等。

環(huán)境領(lǐng)域

納米材料在環(huán)境領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。例如，在海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面，可利用銀納米顆粒來消除污染物的存在，提高海水環(huán)境的清潔度；而CdSe量子點(diǎn)也可用于監(jiān)測(cè)海洋內(nèi)的有害硝酸鹽濃度。另外，利用鈦金屬納米材料再生催化材料技術(shù)可以有效去除污染氣體或液體中的有機(jī)物、揮發(fā)性有機(jī)物等有害物質(zhì)。

能源領(lǐng)域

納米材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用也是十分重要。例如，將硫化鎘及其他半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的2D納米片轉(zhuǎn)化為太陽能電池制造于電話工業(yè)上，同時(shí)制備高效、便攜和不會(huì)磨損的電動(dòng)汽車電池在未來得到了越來越多保障。此外，利用納米材料在太陽能電池中用于自組裝代替有機(jī)襯底技術(shù)已開始實(shí)現(xiàn)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場的發(fā)展，其應(yīng)用前景將更加廣闊。

二、納米材料安全性問題的討論

潛在生物毒性

盡管各類納米材料在醫(yī)學(xué)、環(huán)境及工業(yè)等領(lǐng)域都可以被用于改善多種問題的存在，但一些初期研究表明，分子尺度的東西仍可能帶來重大風(fēng)險(xiǎn)。潛在的納米材料對(duì)生物毒性方面嚴(yán)重的目擊者, 尤其是免疫系統(tǒng)受到影響的人群尤為復(fù)雜化和危險(xiǎn)化。因此，確定并測(cè)試用于特定領(lǐng)域的納米材料的生物毒性十分必要。

盡管納米材料在各個(gè)領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用，但其安全性問題也越來越引起人們的重視。納米材料因?yàn)槠涑叽缣幱诩{米級(jí)別，與其它材料相比，其表面積要大得多，使得納米材料與生物組織接觸時(shí)出現(xiàn)一些特殊性質(zhì)，這些特殊性質(zhì)可能導(dǎo)致人體、動(dòng)物和環(huán)境受到潛在危害。因此，對(duì)于納米材料的安全性問題需要進(jìn)行深入研究和有效監(jiān)管。

納米材料的主要危害包括毒性、免疫原性、過敏反應(yīng)以及潛伏期較長的致癌能力等。最近的研究表明，一些金屬氧化物和碳納米管等納米材料會(huì)引發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)，并釋放出自由基。自由基是一種極易與生物分子結(jié)合的非?；钴S的分子，容易進(jìn)入人體細(xì)胞內(nèi)，破壞細(xì)胞膜和DNA ，并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或突變。此外，硅納米材料可能會(huì)通過氧合酶-COX-2途徑刺激細(xì)胞進(jìn)行炎癥反應(yīng)，而對(duì)心臟和肺部等機(jī)體組織造成損害。

因此，納米材料在正式推廣之前需要進(jìn)行充分的安全性評(píng)估。一種常用的方法是使用小鼠或大鼠等動(dòng)物進(jìn)行毒性測(cè)試。這種方法雖然能夠檢測(cè)出潛在的毒性，但因?yàn)閯?dòng)物與人類的生理差異以及試驗(yàn)結(jié)果的不確定性，還不能完全代替人體測(cè)試。

另外，目前也有一些新的研究方法被應(yīng)用于納米材料的安全性評(píng)估中。例如，利用仿生技術(shù)建立三維芯片或人工組織平臺(tái)，使得納米材料的感知器制能夠更加準(zhǔn)確地模擬人體內(nèi)的反應(yīng)情況，從而增強(qiáng)樣品的預(yù)測(cè)能力。此外，還存在其他的可行辦法和微型測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)，如 "實(shí)驗(yàn)者-on-a-Chip" 和 "身體-Ex-on-a-Chip" 等，并且這些技術(shù)正在被更多的研究員所探索。

除了評(píng)價(jià)納米材料的毒性外，有效的監(jiān)管和規(guī)范使用同樣至關(guān)重要。政府、企業(yè)和研究者必須認(rèn)識(shí)到納米材料可能帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并采取必要的防范措施以減少應(yīng)用環(huán)節(jié)中對(duì)人體和環(huán)境的影響。例如，在商業(yè)產(chǎn)品的制造和使用過程中，可能需要確保其正確的利用、回收和處理，從而減少對(duì)自然環(huán)境的不良影響。此外，還需要加強(qiáng)納米材料管控，并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)以規(guī)范使用。

總之，隨著納米材料的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，了解其安全性問題變得日益重要。為此，需要加強(qiáng)科學(xué)家、政府官員和各類用戶之間的合作與溝通，并繼續(xù)開展針對(duì)納米材料的安全性研究與監(jiān)管工作。這樣才能最大限度地發(fā)揮納米技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并推動(dòng)其在各種領(lǐng)域的應(yīng)用。